Везикула – снаряд направленного действия. Ученые НМИЦ создают новый метод диагностики и лечения рака

Команда ученых НМИЦ онкологии им. Н. Н. Петрова усовершенствовала способы выделения везикул из организма, придумав несколько уникальных технологий. Руководит исследовательской работой Анастасия Валерьевна Малек — заведующая научной лабораторией субклеточных технологий с группой онкоэндокринологии, врач-онколог, доктор медицинских наук.

«Автопортрет» клетки

— Что такое везикулы? Мы привыкли считать, что человек состоит из клеток и молекул, которые и несут самую главную информацию об устройстве организма.

— Есть клетки, а есть межклеточное пространство, содержащее широкий спектр органических молекул и ионов. Поэтому все привыкли к двум уровням организации тканей: клеточному и молекулярному. А есть еще что-то между. При этом, очень информативное. Везикулы — это пузырьки диаметром 80-150 нанометров, которые продуцируются всеми клетками организма. Они циркулируют во всех биологических жидкостях организма — кровь, слюна, спинномозговая жидкость и т.д. Эти везикулы переносят сигнальные или структурные молекулы между клетками анатомически отдаленных тканей и таким образом влияют на биологию и жизнедеятельность клеток-реципиентов, являясь системой интеграции многоклеточного организма.

Первые упоминания о везикулах появились еще в 50-60-е годы прошлого века. Но пока не были разработаны методы визуализации, их никто не видел. Как только везикулы смогли визуализировать благодаря появившейся аппаратуре, ученые обрадовались и кинулись их изучать.

— В микроскоп везикулы не рассмотреть?

— В том-то и дело, что в световой микроскопии их не видно. Разрешения не хватает на пару порядков. Здесь работают методы, основанные на отражении лазерного света от объекта, находящегося в состоянии броуновского движения.

— Что позволяет увидеть отраженный от везикулы лазерный луч?

— Надо понимать, что это не реальное отражение везикул, а некая смоделированная картина. Главное, что нам нужно сделать с этим «модельным» изображением — оценить размеры объектов и посчитать их. Из миллилитра человеческой плазмы можно выделить около десяти триллионов везикул. Посчитав их, мы уже можем с ними работать. В чем ценность везикул? Это ценная биохимическая композиция, созданная природой, по химическому составу везикула похожа на клетку, так как она является продуктом секреции клетки. Каждая везикула – это уникальная композиция, характерная именно для клетки-«автора». Своего рода «автопортрет» клетки. Зная ткане-специфичные маркеры, мы можем выделить везикулы, исходящие из определенных клеток. Анализируя везикулы, мы понимаем, в каких именно клетках развивается болезнь. Информативным может быть даже количественный анализ.

Понятно, что в крови циркулирует везикул много, но процентов 95-97 из них диагностически неинтересны. Это все фон, формируемый клетками сосудистых стенок и крови. Все остальные ткани организма тоже «подсыпают» свои везикулы, понятно, что в меньшем количестве и пропорционально секреторной активности ткани и размеру. Например, в плазме много везикул из мышечной ткани, а везикул из предстательной железы гораздо меньше. И здесь у нас возникла интересная теория. Все эпителиальные опухоли развиваются из эпителиев, к примеру, рак желудка образуются из кишечного эпителия, рак легкого из эпителия бронхиол и так далее. Соответственно, когда развивается онкологическое заболевание, клетки опухоли в большинстве своем сохраняют признаки исходной ткани — и если вдруг этой ткани становится в организме аномально много, то доля тех везикул, которые имеют соответствующие тканевые маркеры, возрастает.

Мы проверили эту теорию на двух локализациях — узловых образованиях щитовидной железы и раке толстой кишки. Например, мы оценивали количество везикул, имеющих маркеры кишечной дифференцировки, проще говоря, кишечных везикул. И оказалось, что у больных раком толстой кишки их больше, а у здоровых — меньше. Это значит, что нам не надо знать какие-то волшебные онкомаркеры. Надо просто знать характеристики везикул, секретируемых разными типами эпителиальных клеток, знать нормальное распределение таких везикул в плазме. Когда мы сможем оценивать отклонения от нормального распределения – мы сможем предполагать в каких тканях происходит активная пролиферация клеток, а возможно развивается опухоль.

— То есть надо собрать «базу данных» по всем органам и определить для каждого свою «норму» везикул?

— В идеале, если к этому вопросу подходить фундаментально, то, конечно, да. Подобных работ я нигде не видела, подозреваю, что их просто нет.

— Что нужно сделать, чтобы собрать все данные по всем везикулам в человеческом организме?

— Это сложная работа, потому что надо в первую очередь определить маркеры для каждого эпителия, протестировать сотни образцов. Такой подход требует глобального, спокойного, длительного исследования. Больших финансов и много рук.

Наша справка

Как выделяют везикулы из человеческого организма
Исследователи, опираясь на фундаментальные знания в области физики, биологии и химии, предположили, что везикулы можно выделять путем создания так называемой двухфазной полимерной системы.
Если смешать два полимера в жидкости, то при определенных соотношениях их молекулярных масс и концентраций произойдет расслоение раствора на две фазы: верхнюю и нижнюю. Этот феномен был давно известен, но для решения задачи выделения нановезикул он был использован лишь дважды: группами корейских и турецких исследователей. Ученые НМИЦ онкологии им. Петрова усовершенствовали эту технологию и подобрали оптимальное соотношение молекулярных масс и концентраций двух полимеров. В пробирке с плазмой крови растворяют два полимера, в итоге общий раствор разделялся на две фазы. В нижней фазе концентрируются нановезикулы, а в верхней — остальные компоненты плазмы. Такой метод выделения является достаточно быстрым и эффективным, для анализа можно использовать даже 1,5 мл плазмы. А за день в лаборатории можно выделить везикулы из 100 образцов

Письмо с обратным адресом

— Благодаря технологии выделения везикул достаточно взять кровь из вены для того, чтобы обнаружить раковые клетки в организме человека?

— Да. Этот метод намного информативнее, чем анализ молекулярных компонентов плазмы, или так называемых онкомаркеров, к которым существует много претензий. Их используют и они популярны просто потому, что ничего другого нет.

— Зачем тогда нужны онкомаркеры, если информативность их под большим вопросом? Есть в них вообще какой-то практический смысл?

— Пока есть. Существуют онкомаркеры диагностического плана, когда они указывают с той или иной степенью вероятности на наличие какой-то болезни. К примеру, ПСА (простат-специфический антиген), который может реагировать на различные изменение в предстательной железе, не обязательно это должен быть рак простаты. Есть более специфичные маркеры – фрагменты мутированных генов, но тут другая проблема: нужно знать какую мутацию искать, что редко когда возможно.

— Чем везикулы лучше молекул, на основе которых работают онкомаркеры?

— Молекулы в крови можно сравнить с набором букв. Комбинации молекул — это слова. А везикулы — это уже готовый маленький текст. Некое письмо, причем с обратным адресом. Эти «письма» содержат много информации – нужно только уметь ее прочитать, и специфичность методов анализа везикул намного выше, чем специфичность традиционных онкомаркеров.

— Если везикулы показывают, что в конкретной ткани происходит что-то, скажем там, нетипичное, это явный признак начавшегося опухолевого процесса? Или все же могут быть варианты?

— Никто пока стопроцентно не скажет. И потом, это же динамичный процесс — некоторые опухоли появляются, но не растут. Иммунная система справляется сама. Но возможность использования такого «красного флажка» важна, он может сигналить – где начался процесс аномальной пролиферации, возможно, неопластической.

Открытие мирового уровня

— В мире еще кто-то достиг похожих результатов?

— Научных работ, показывающих, что при развитии онкологического заболевания появились везикулы из нормального эпителия, я не видела. Но аналогичные исследования, конечно, ведутся. Есть, например, работы, показавшие, что везикул с меланином становится больше, когда развивается меланома. Но это, в принципе, логично. В американском Питцбурге работает сильная группа клинической направленности, но в основном там работают с гематологическими пациентами.

— Когда будут пройдены все этапы вашего исследования везикул, какую пользу это принесет конкретному пациенту?

— Финал «всех этапов» звучит как-то трагично, я думаю, что это долгий поступательный процесс. Пока могу предположить какими будут первые результаты? Мы работаем в двух направлениях: диагностики и терапия.

В первом случае, мы пытаемся создать метод оценки соотношения в плазме везикул, секретируемых разными эпителиальными тканями. Такой анализ будет основой технологии скрининга наиболее значимых онкологических заболеваний. Этот анализ будет быстрым и дешевым. В случае обнаружения отклонений – роста концентрации отдельной везикулярной фракции – ее можно будет выделить и проанализировать. Такой анализ будет вторым диагностическим этапом. Эти тесты должны быть сильно эффективней традиционных молекулярных онкомаркеров, но доступнее, чем методы инструментальной диагностики. Они должны занять определенную нишу и повысить показатели ранней диагностики онкологических заболеваний.

В рамках разработки «везикулярных» терапевтических подходов, мы работаем над созданием метода выделения везикул из плазмы в процессе процедуры плазмафереза. Пока этого никто не делал, поэтому нужно будет внимательно изучить физиологические эффекты изменения состава везикул плазмы. Результаты некоторых исследований позволяют предполагать, что у онкологических пациентов такая процедура будет потенциировать эффект стандартных методов системной терапии. Но самой «захватывающей» является идея модификации выделенных везикул и использования их в качестве аутологичной системы «адресной» доставки лекарственных препаратов в клетки опухоли.

Это все относительно далекие перспективы. Но их необходимо видеть, чтобы решать маленькие тактические задачи.

Почему наука победила хирургию

— Вы ведь пришли в медицину как врач-хирург. Почему наука победила хирургию?

— Я была очень увлечена хирургией, очень. Снимала квартиру рядом с больницей, дневала и ночевала на работе. Мой учитель, заслуженный профессор, брал пациентов, которые считались безнадежными, от которых уже все отказались. Мы их оперировали. Но через три года такой работы у меня возникло четкое ощущение, что это надо как-то прекратить. Просто нельзя этого делать. Хирургия — это не единственный способ лечения онкологических больных. Когда принимается решение о хирургической операции, имеет значение комплекс факторов. В экстренной травматологии или гнойной хирургии, операция – это единственный способ спасения жизни пациента. А в других областях медицины, включая онкологию, – это способ решения проблемы, которую мы до конца не понимаем.

— Вы ушли в науку и почти сразу уехали в Европу? Как это случилось?

— Выиграла конкурс на небольшой грант от «Berliner Krebsgesellschaft» в 2002 году. Быстро нашлась научная лаборатория в Берлине — в знаменитой клинике Шарите, которая предоставила мне место для работы в качестве «Gastarzt». Это были почти четыре года работы. Были свои взлеты и падения, связанные в основном с отсутствием базисного биологического образования и навыков лабораторной работы. Кандидатскую диссертацию я защищала в НМИЦ онкологии им. Петрова, так как в Европе врачи не защищают «философские» диссертации, так называемые PhD. А первые «упражнения» с везикулами начались в Мальбурге, продолжились в Институте онкологии южной Швейцарии.

В 2011 году вернулась в Россию. Алексей Михайлович Беляев дал возможность заниматься исследованиями дальше. На первых этапах не было ни оборудования, ни сотрудников. Первые исследования делала сама, используя материал НМИЦ онкологии, с которым я «путешествовала» по оборудованным лабораториям города и области. Затем появились первые сотрудники, исключительно «совместители» из других учреждений, объем работ слегка вырос. Потихоньку стали закупать оборудование. Встал вопрос о приглашении в лабораторию сотрудников для работы «только тут», создании нового коллектива. Весь этот трудный процесс развития поддерживался администрацией НМИЦ, наши исследования ни разу не финансировались государственными научными фондами, видимо, потому что они не являются фундаментальными. Сейчас они являются темами государственных заданий Министерства здравоохранения, это дает возможность развиваться.

— Кто ваша команда?

— Коллектив молодой, очень грамотный, но не очень опытный: химики, физики, био-технологи. Их знания в этих областях сильно глубже, чем мои. Вот, собственно, на стыке моего понимания медицинской задачи и их знаний в области возможных технологий ее решения и строится наша работа. Почва, конечно, зыбкая. Ошибок делаем много. Спорим, ругаемся, учимся друг у друга. Наверно, это нормальный процесс.

Читайте также: Особенности вакцинации онкологических пациентов: рекомендации для детей и взрослых